Forskare vid University of Cambridge har observerat elektroner som korsar gränser i solmaterial på blott 18 femtosekunder, drivna av molekylära vibrationer. Denna upptäckt utmanar traditionella teorier om laddningsöverföring i solenergisystem. Resultaten pekar på nya sätt att utforma mer effektiva ljusupptagande teknologier.
Forskare vid University of Cambridge genomförde experiment som visar att elektroner kan överföras genom solmaterial med hastigheter nära naturens gräns. I tester som varade 18 femtosekunder – en kvadriljonadel av en sekund – såg forskarna laddningen separeras under en enda molekylär vibration. Denna ultrasnabba rörelse skedde i ett system som var utformat för att prestera dåligt enligt konventionella regler, med en polymerdonor intill en icke-fulleren-acceptor med minimal energiskillnad och svag interaktion. Dr. Pratyush Ghosh, forskningsfellow vid St John’s College, Cambridge och studiens försteförfattare, noterade: „Vi designade medvetet ett system som enligt konventionell teori inte borde ha överfört laddning så snabbt.“ Han tillade att elektronen avfyras i en sammanhängande stöt, med vibrationerna som fungerar som en molekylär katapult: „Vibrationerna ackompanjerar inte bara processen, de driver den aktivt.“ Observationen synkroniserar elektronernas migration med atomrörelser, som Ghosh förklarade: „Vi ser effektivt elektroner migrera på samma klocka som atomerna själva.“ Ultrakorta laserexperiment visade att ljusabsorption utlöser högfrekventa vibrationer i polymeren, blandar elektroniska tillstånd och skjuter elektronen ballistiskt över gränsytan. När den når acceptorn initierar den en ny sammanhängande vibration, vilket signalerar överföringens hastighet och renhet. Publicerad i Nature Communications den 5 mars 2026 ifrågasätter forskningen antaganden att ultrasnabb laddningsseparation kräver stora energigap och stark koppling, vilka ofta minskar effektiviteten. Ghosh konstaterade: „Våra resultat visar att den ultimata hastigheten för laddningsseparation inte enbart bestäms av den statiska elektroniska strukturen. Den beror på hur molekylerna vibrerar. Det ger oss en ny designprincip.“ Professor Akshay Rao vid Cavendish Laboratory kommenterade: „Istället för att försöka dämpa molekylrörelser kan vi nu utforma material som utnyttjar dem – och förvandla vibrationer från en begränsning till ett verktyg.“ Studien involverade samarbetspartners från University of Cambridges Cavendish Laboratory och Yusuf Hamied Department of Chemistry, samt team i Italien, Sverige, USA, Polen och Belgien. Denna mekanism är nyckeln för organiska solceller, fotodetektorer och fotokatalytiska enheter som genererar rent vätebränsle, och efterliknar processer i naturlig fotosyntes.